流水線adc的后臺校準方法及電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流水線ADC的后臺校準方法及電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速高精度流水線ADC (模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器）是模擬集成電路的重要組成部分。 如圖1所示，流水線ADC包含多個流水級，其中前N個流水級中每個流水級輸出兩個信號， 其中的數(shù)字輸出信號V ADe輸出到數(shù)字信號處理單元，余量輸出信號心輸出到下一個流水級。 其中前N個流水級的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其包括子ADC、子DAC、減法器、以及余量放大器等。
[0003] 參照圖2,在流水線ADC的每個流水級中，將模擬輸入信號Vin (nTs)輸入到子ADC 中進行量化產(chǎn)生數(shù)字輸出信號VADe[n];然后將該數(shù)字輸出信號VADe[n]送入子DAC中進行數(shù) 模轉(zhuǎn)換得到一個模擬量，用模擬輸入信號V in(nTs)減去該模擬量，得到余量（residue)信號 Vras(nTs);將該余量信號Vras(nTs)經(jīng)余量放大器放大后得到余量輸出信號R n(nTs)。該余量 輸出信號Rn(nTs)輸出到下一個流水級，作為下一個流水級的模擬輸入信號。
[0004] 余量放大器中包含的運算放大器，通常會由于其增益不足、以及其與其前端的電 容（例如采樣電容、反饋電容等）之間的不匹配而導(dǎo)致一階和三階誤差。隨著流水線ADC 的制造進入深亞微米工藝，運算放大器引入的一階和三階誤差變得明顯，減小了流水線ADC 的線性度，使得SFDR變差，增加了噪底。傳統(tǒng)的ADC的校準方法只對運算放大器的一階系 數(shù)進行了校準，并不能校準其引入的三階誤差。近年來也有些方案提出了同時校準余量放 大器的一階和三階系數(shù)，但是這些校準算法的收斂速度較慢。
[0005] 對ADC的校準方法通常分為前臺校準和后臺校準。前臺校準需要當ADC停止工作 后再進行校準，而后臺校準可以在ADC的工作過程中進行校準，并且當外界因素（例如，溫 度、電源電壓等）發(fā)生變化后，實時對余量放大器的一階和三階誤差進行校準。
[0006] 本發(fā)明旨在提出一種能夠快速地同時校準運算放大器引入的一階和三階誤差的 后臺校準方法及電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于，提出一種流水線ADC的后臺校準方法及電路，在能夠同時校 準運算放大器引入的一階和三階誤差的同時，提高了校準算法的收斂速度。
[0008] 為此，本發(fā)明提供了一種流水線ADC的后臺校準方法，用于流水線ADC的每個需 要校準的流水級，該方法包括：步驟S0 :將與當前流水級的模擬輸入信號Vin(nTs)相關(guān)的 第一輸入信號Vin+(nT s)和第二輸入信號Vin (nTs)分別輸入第一和第二通道，所述第一和 第二通道均包括依次連接的子ADC、子DAC、減法器、和余量放大器，其中，將所述第一輸入 信號V in+(nTs)經(jīng)過所述第一通道的子ADC量化之后的第一數(shù)字輸出信號VADC1[n]，與第 一隨機數(shù)P nl[n]加和后輸入到所述第一通道的子DAC，將所述第二輸入信號Vin (nTs)經(jīng) 過所述第二通道的子ADC量化之后的第二數(shù)字輸出信號￥^2[11]，與第二隨機數(shù)P n2[n] 加和后輸入到所述第二通道的子DAC;步驟S1 :將所述第一通道的余量放大器輸出的第 一余量輸出信號VR1(nTs)輸出到下一個流水級的第一通道，并將所述當前流水級之后的 所有流水級的第一通道輸出的每個數(shù)字輸出信號進行線性加和，得到第一后端輸出信 號Rnl[n];并且，將所述第二通道的余量放大器輸出的第二余量輸出信號V R2(nTs)輸出 到下一個流水級的第二通道，并將所述當前流水級之后的所有流水級的第二通道輸出的 每個數(shù)字輸出信號進行線性加和，得到第二后端輸出信號R n2[n];以及，步驟S2 :將所述 第一數(shù)字輸出信號VADei[n]和第二數(shù)字輸出信號VADe2[n]、所述第一隨機數(shù)P nl[n]和第 二隨機數(shù)Pn2[n]、所述第一后端輸出信號Rnl[n]和第二后端輸出信號R n2[n]進行后處理 過程，以得到校準后的輸出信號Do [n]，其中，所述第一輸入信號Vin+(nTs)和第二輸入信 號Vin (nTs)滿足：
，所述第一隨機數(shù)Pnl[n] "Apnl Pn[nJ; (Ctrl[1:0] = 00) Apn2 -PnW； (Ctrl [1:0] = 01) ^ ^ ： Pril[n] ^ A；nl Pn[nJ; (Ctrlfl: 0] . 10)^ ^ ? ^ ^ P ^ W ^ ^ ： Apn2 Pn[n]; (Ctrl[1:0] = 11) r Apnl-Pn[n];(Ctrl[l:0]-00) Apri2 -PnMjCCtrlfliO] - 01) 匕刺=U .lpnl _，其中，咖1[1 :0]為控制信號，Pn[n]為 Apn2 Pn[n];(Ctrl[1:0] = 11) 均值為〇且取值為1和-1的隨機信號，Apnl、Apn2和u分別為三個常數(shù)。
[0009] 進一步地，所述后處理過程包括：步驟S21 :根據(jù)如下公式計算第一中間值temp和 第二中間值nn， rtempOO; (Ctrl 11: 0] = 00)
[0010] temp = mean((Rnl[n] + RnZ[n]] Pnl[n]) = | Jq； [ctrl[ 1: 0] = 10)? vtempll; (Ctrl[l: 0] = 11) pin00;(Ctrl[l:0] = 00)
[0011 ]腳=mean((Rnl [n] + Pnl [nOT vnnll; (Ctrl|l: 0] = 11) 示統(tǒng)計時間內(nèi)括號中的內(nèi)容的均值，tempOO、tempOl、templO和templl分別表示所述 第一中間值temp的四個狀態(tài)的值，nn00、nnOl、nnlO和nnll分別表示所述第二中間 值nn的四個狀態(tài)的值；步驟S22:計算所述校準后的輸出信號Do[n]，其中，先求解如 下線性方程組得到所述第一通道的余量放大器的第一一階誤差系數(shù)a n和第一三階誤 差系數(shù)a 13、以及第二通道的余量放大器的第二一階誤差系數(shù)a 21和第二三階誤差系 1 1 ^li k11L 「(叉11"| b-L i i 1^91 1 CX91 數(shù)〇23，i i k3i k32 a13 = g，其中，kn、k21、k31、k32、M^k 4Aim 1 u k41 k4J li>4- r kl1L - (Apnl2 + 3nn00) k?'i = (Apn22 + 3nn01) k3i = (Apnl2 + 3rml0) 據(jù)如下公式計算，< = &i3a , - 3u _ nnK)j，bp b2、b#P b 4分別根據(jù)如下公 ^41 - (Apn2'' + 3nnll) 、k42 = (u3Apn/ _ 3u nnl l.) 式計算，
.再根據(jù)如下公式得到修正后的第一后端輸出信號 Rni[n] |COTlwted和修正后的第二后端輸出信號Rn2[n] |ra"ected，
從而根據(jù)如下公式得到所 述校準后的輸出信號 Do[n]，Do[n] = VADC1[n]-VADC2[n]+Rnl[n] |ra:riwted-Rn2[n] corrected+Pnl [n] +Pn2 [n]。
[0013] 所述控制信號Ctrl [1 :0]滿足如下公式： / 00; (1 < i < N) 〇1 fN + 1 < i < 2N0
[0014] Ctrl[l:0] = j 3N^，其中，i表示第i次采樣，N表示所述控 111, (3N + 1 <i<4N) 制信號Ctrl[l :0]的每個狀態(tài)持續(xù)的采樣點的個數(shù)，所述第一中間值temp可以進一步表示 為'?
，所述第二中間值nn可以進一步表示為：
[0015] 另一方面，本發(fā)明還提供了一種流水線ADC的后臺校準電路，用于實現(xiàn)上述的流 水線ADC的后臺校準方法，該電路包括：隨機數(shù)生成單元，其輸出第一隨機數(shù)P nl [n]和第二 隨機數(shù)Pn2[n];第一通道，其包括依次連接的第一子ADC、第一子DAC、第一減法器、和第一 余量放大器，所述第一通道的輸入信號為第一輸入信號V in+(nTs)，所述第一通道還包括連 接在第一子ADC和第一子DAC之間的第一加法器，所述第一加法器將經(jīng)過所述第一子ADC 量化之后的第一數(shù)字輸出信號VADei[n]與所述第一隨機數(shù)Pnl[n]加和后傳輸?shù)剿龅谝?子DAC;第二通道，其包括依次連接的第二子ADC、第二子DAC、第二減法器、和第二余量放大 器，所述第二通道的輸入信號為第二輸入信號vin (nTs)，所述第二通道還包括連接在第二 子ADC和第二子DAC之間的第二加法器，所述第二加法器將經(jīng)過所述第二子ADC量化之后 的第二數(shù)字輸出信號VADe2[n]與所述第二隨機數(shù)P n2[n]加和后傳輸?shù)剿龅诙覦AC ;后處 理單元，其配置為根據(jù)所述第一數(shù)字輸出信號VADa[n]和第二數(shù)字輸出信號VADe2[n]、所述第 一隨機數(shù)P nl[n]和第二隨機數(shù)Pn2[n]、所述第一后端輸出信號Rnl[n]和第二后端輸出信號 Rn2 [n]，得到校準后的輸出信號Do [n]。
[0016] 進一步地，所述隨機數(shù)生成單元包括：隨機數(shù)生成子單元，其輸出均值為0且取值 為1和-1的隨機信號Pn[n];放大子單元，其對所述隨機信號Pn[n]進行放大，放大系數(shù)分 別為A pnl、Apn2和u ;選通子單元，對所述放大子單元的輸出進行選通，其包括第一控制端，所 述第一控制端連接包括四個狀態(tài)的控制信號Ctrl [1 :0]，所述選通子單元配置為，當所述 控制信號Ctrl[l :0]為第一狀態(tài)時，輸出的所述第一隨機數(shù)Pnl[n]為Apnl*Pn[n]，所述第二 隨機數(shù)P n2[n]為Apnl*P>]，當所述控制信號Ctrl[l :0]為第二狀態(tài)時，輸出的所述第一隨 機數(shù)Pnl[n]為Apn2 ? Pn[n]，所述第二隨機數(shù)Pn2[n]為Apn2 ? Pn[n]，當所述控制信號Ctrl [1 : 0]為第三狀態(tài)時，輸出的所述第一隨機數(shù)Pnl[n]為Apnl ? Pn[n]，所述第二隨機數(shù)Pn2[n]為 u*Apnl，P>]，當所述控制信號Ctrl[l :0]為第四狀態(tài)時，輸出的所述第一隨機數(shù)Pnl[